Object-Relation Model of ORACLE Spatial Database: with Discussion of RDB and OODB Application in GIS
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摘要: 传统的关系数据库在GIS的应用中主要存在以下问题: 除数据类型简单, 不能很好地表达非结构化数据外, 也难以表示GIS中具有复杂结构的数据; 关系模型简单, 不能表达数据之间的层次, 继承、聚合、泛化或特化等在GIS广泛使用的关系; 与数据操纵语言如SQL和通用程序设计语言, 特别是目前流行的面向对象设计语言之间失配.采用面向对象技术可以较好地解决上述问题.ORACLE的空间数据库在传统的关系数据库上进行了面向对象的扩展, 即所谓对象-关系模式, 其核心在于增加了名为SDO-GEOMETRY的对象数据类型, 用于存储几何实体.ORACLE的空间数据库的应用示例表明: 以面向对象的形式表示空间数据比之于关系数据库中存放大量无意义的坐标有着很大的优势, 同时, 它在复合对象的表达方面, 在对于空间关系的处理方面都非常有效Abstract: There are some problems of RDB in GIS application. Sometimes the data type is too simple to describe non-structured or complex-structured data in GIS and the simple model can't express the relation of hierarchy, inheritance, aggregation, generalization or specialization, or there is impedance mismatch between SQL and programming language, especially the current popular object-oriented language. While object-oriented (OO) technology may be useful to solve these problems. ORACLE spatial database extends the traditional relation database with the technology, the so-called object-relation model, which features adding to RDB an object data type named SDO-GEOMETRY to store geometry. An application example of ORACLE spatial database demonstrated the advantages of OODB in describing spatial data and the efficiency in expressing compound object and processing spatial data compared to RDB which only stores meaningless data. Certainly, there are still some issues that need further research in OODB: which direction OODB will develop: pure OODB or object-relation DB, the data model match between RDB and OODB, the mathematic basis and formalization for OODB and how to take advantages of existing mature technologies of RDB such as transaction control, integrity check, data reproduction in the development of OODB.
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目前的GIS的底层数据库大都是关系数据库, 但关系数据库并不能适应目前飞速发展的GIS应用需求, 尤其不能适应“数字地球”和“数字国土”、“数字区域”建设中对复杂类型数据和海量数据的管理和处理[1~4].因此, 寻求新的数据库模型, 或者对原有数据库进行改造, 已成为当务之急.
1. 关系数据库的局限性
(1) 数据类型简单.目前商用数据库系统只支持有限的几种数据类型, 如整数、浮点数、字符串、日期、货币等; 只能表达结构化的数据, 但随着应用的日益发展, 非结构化或半结构化的数据占有越来越重要的地位.在GIS实际应用中, 大部分数据都是半结构化基至非结构化的, 例如属性、文献资料、图纸、合同、传真、E-mail等都是GIS常用的数据.另外关系数据库对GIS中具有复杂结构的数据也难以表达.如几何实体数据, 无论是用基本的原始几何实体组合来描述还是用几何实体边界来描述, 其结构都将是复杂的、层次化的[5].总之, 由于关系数据库所固有的结构化的特点, 使其不能灵活地表达现实生活中的各种数据, 为弥补这一点, 在新版本的关系数据库中, 一般只增加一个“二进制”类型(如blob或image等) 来包办用户所需要的其他所有数据类型.这显然不是一个很好的数据表达办法.
(2) 关系模型简单.在关系模型, 实体间的关联无非是一对一、一对多和多对一.然而, 在GIS的数据中, 数据之间的关系远非如此简单, 数据之间更多地表示为层次、继承、聚合、泛化或特化等特点.例如, 一个复合对象由多个子对象组成, 如果硬要将这种情况用关系表达, 其结果常常是带有许多冗余数据的不自然的复杂查询, 进一步讲, 重构复杂对象还带来另一个问题, 那就是, 由连接构造的视图一般是不可更新的[5].
(3) 阻抗匹配问题.自关系模型产生以来, 阻抗匹配就一直存在.这一经典的问题原意是指数据操纵语言如SQL和通用程序设计语言之间的失配.这种不匹配表现在2个方面: 一是编程模式不同, 描述性的SQL语言与指令式的编程语言如C语言不同; 二是类型系统不匹配, 编程语言不能直接表示诸如关系这样的数据库结构, 在其界面就会丢失信息.进一步说, 由于是2个类型系统, 自动的类型检查也成了问题[5].此外, 还须考虑这样的一个现实: 面向对象技术已成为主流技术的今天, 面向对象的程序设计语言已成为编写数据库应用的主流语言, 这就严重存在着关系范式和面向对象范式之间的失配问题.而实现程序设计语言和数据库语言的无缝集成一直是数据工作者所追求的目标.
2. 面向对象数据库在GIS中的应用
从关系数据库的局限性可以看出, 传统的关系数据库已不能适应GIS发展的需要, 必须引入面向对象的技术来解决上述问题.目前, 面向对象数据库的设计有2种形式: 一种是纯面向对象的、与传统关系数据库毫无联系的数据库, 在这方面, 对象数据库管理小组(ODMG: object data management group) 一直在从事对C++和SMALLTALK语言的持久化扩展进行标准化的工作; 另一种是在传统关系库中加入面向对象的特征, 来对其进行扩展, 这种形式目前在实际应用中占主导地位, 可称之为对象-关系数据库.
目前的数据库中, ORACLE的空间数据库是第1个可商用的产品, 下面以其流行的版本ORACLE8i为例来进行说明.
2.1 ORACLE的对象-关系模式
ORACLE的空间数据库在传统的关系数据库上进行了面向对象的扩展, 即所谓的对象-关系模式, 其核心在于增加了名为SDO_GEOMETRY的对象数据类型, 用于存储几何实体.一个几何实体在表中存为一行, 用列SDO_GEOMETRY表示, 同时, 沿用关系数据库中基本的语句DLL (CREATE, ALTER, DROP) 和DML (INSERT, UPDATE, DELETE) 来产生和管理空间索引.
SDO-GEOMETRY这一对象类型是这样定义的:
CREATE TYPE SDO-GEOMETRY AS OBJECT (
SDO-GTYPE NUMBER,
SDO-SRID NUMBER,
SDO-POINT SDO-POINT-TYPE,
SDO-ELEM-INFO MDSYS.SDO-ELEM-INFO-ARRAY,
SDO-ORDINATES MDSYS.SDO-ORDINATE-ARRAY);
其中: SDO_GTYPE表示几何实体的类型, 以4位数(d00x) 形式表示, d表示维数, 取值为2, 3或4;后面的位数表示几何实体类型.d000表示未知, d001表示点, d002表示线, d003表示多边形, d004表示集合, d005表示复合点, d006表示复合线, d007表示复合多边形.例如: 2003表示一个2维的多边形.另外, d008—d099为预留值.SDO_SRID为预留值, 在空间数据引用系统定义表中, 预备作外关键字使用.SDO_POINTt为一个具有属性x, y和z的对象类型, x, y和z均为数值型.SDO_ELEM_INFO是一个变长的数值型数组, 用于解释存储于SDO_ORDINATES中的坐标.它以三元组的形式在数组中存放数据, 其形式为(SDO_STARTING_OFFSET, SDO_ETYPE, SDO_INTERPRETATION), 其中: SDO_STARTING_OFFSET存放这个元素第一个坐标在SDO_ORDINATES中的偏移量.偏移量的取值从1开始, 第1个元素的第1个坐标将在SDO_GEOMETRY.SDO_ORDINATES (1) 中, 如果存在第2个元素, 它的第1个坐标将在SDO_GEOMETRY.SDO_ORDINATES (n) 中, 这里n表示在SDO_ORDINATE_ARRAY中定义的位置.SDO_ETYPE表示元素的类型, 可用1位或4位数字表示, 若不知道元素是否是内部或外部, 用1位数字表示, 否则用4位数字表示.1位数字取值1~5, 其中1~3表示是简单元素, 4和5表示是复合元素.4位数字在1位数字取值前加上了“内外部标识”, 外部标识取值1或2, 1表示外部, 0表示内部, 如1003表示外多边形环, 2005表示内复合多边形环.SDO_INTERPRETATION: 如果SDO_ETYPE的值表示的是复合元素(4或5), 那么它的值表示后面有多少个后继的三元组; 如果SDO_ETYPE的值表示的是简单元素(1~3), 那么它的值表示对这个元素的坐标序列进行解释.SDO_ORDINATES是一个变长的数值型数组(1048576), 用于存储空间对象的边界坐标, 它通常和SDO_ELEM_INFO一起使用.
2.2 实例: 插入、索引和查询空间数据
图 1显示了1个可乐(colas) 厂商感兴趣的4个区域, 分别标记为cola-a, cola-b, cola-c, cola-d, 以代表不同的兴趣区域.
(1) 建立表cola-markets.
CREATE TABLE cola-markets (
mkt-id NUMBER PRIMARY KEY,
name VARCHAR2 (32),
shape MDSYS. SDO-GEOMETRY);
此表存储可乐厂商感兴趣的区域.其中SDO-GEOMETRY是一个对象类型.
(2) 将4个区域数据插入表中.
① 插入区域a, a正好是1个长方形.
INSERT INTO cola-markets VALUES (
1,
'cola-a',
MDSYS. SDO-GEOMETRY (
2003, --表示是2维的多边形
NULL,
NULL,
MDSYS. SDO-ELEM-INFO-ARRAY (1, 1003, 3), --1个长方形(1003中的首位数字
--1表示是外部)
MDSYS. SDO-ORDINATE-ARRAY (1, 1, 5, 7) --只需两个坐标即可定义1个长方形
)
);
② 插入区域b和c, 它们是简单的多边形.
INSERT INTO cola-markets VALUES (
2,
'cola-b',
MDSYS. SDO-GEOMETRY (
2003, --表示是2维的多边形
NULL,
NULL,
MDSYS. SDO-ELEM-INFO-ARRAY (1, 1003, 1), --1个多边形
MDSYS. SDO-ORDINATE-ARRAY (5, 1, 8, 1, 8, 6, 5, 7, 5, 1)
)
);
INSERT INTO cola-markets VALUES (
3,
'cola-c',
MDSYS. SDO-GEOMETRY (
2003,
NULL,
NULL,
MDSYS. SDO-ELEM-INFO-ARRAY (1, 1003, 1),
MDSYS. SDO-ORDINATE-ARRAY (3, 3, 6, 3, 6, 5, 4, 5, 3, 3)
)
);
③ 插入区域d, d是一个半径为2的圆形.
INSERT INTO cola-markets VALUES (
4,
'cola-d',
MDSYS. SDO-GEOMETRY (
2003,
NULL,
NULL,
MDSYS. SDO-ELEM-INFO-ARRAY (1, 1003, 4), --圆
mdsys. sdo-ordinate-array (8, 7, 10, 9, 8, 11)
)
);
(3) 更新元数据视图.建立空间索引前必须更新系统的元数据视图user-sdo-geom-metadata, 每个图层只需做一次.
INSERT INTO USER-SDO-GEOM-METADATA
VALUES (
'cola-markets',
'shape',
MDSYS. SDO-DIM-ARRAY (--20x20网格, 容忍度为0
MDSYS. SDO-DIM-ELEMENT ('x', 0, 20, 0.005),
MDSYS. SDO-DIM-ELEMENT ('y', 0, 20, 0.005)
),
NULL--SRID作预留用
);
(4) 产生空间索引.
CREATE INDEX cola-spatial-idx
On cola-markets (shape)
INDEXTYPE IS MDSYS. SPATIAL-INDEX
PARAMETERS ('SDO-LEVEL= 8');
(5) 执行某些空间查询.
① 返回2个几何实体的拓扑交:
SELECT SDO-GEOM. SDO-INTERSECTION (c-a. shape, m. diminfo, c-c. shape, m. diminfo)
FROM cola-markets c-a, cola-markets c-c, user-sdo-geom-metadata m
WHERE m. table-name='COLA-MARKETS' AND m. column-name='SHAPE'
AND c-a. name='cola-a' AND c-c. name='cola-c';
② 查询2个几何实体的空间关系:
SELECT SDO-GEOM. RELATE (c-b. shape, m. diminfo, 'anyinteract',
c-d. shape, m. diminfo)
FROM cola-markets c-b, cola-markets c-d, user-sdo-geom-metadata m
WHERE m. table-name='COLA-MARKETS' AND m. column-name='SHAPE'
AND c-b. name='cola-b' AND c-d. name='cola-d';
③ 返回所有的区域:
SELECT c. name, SDO-GEOM. SDO-AREA (c. shape, m. diminfo)
FROM cola-markets c, user-sdo-geom-metadata m
WHERE m. table-name='COLA-MARKETS' AND m. column-name='SHAPE';
④ 返回两个几何实体之间的距离:
SELECT SDO-GEOM. SDO-DISTANCE (c-b. shape, m. diminfo, c-d. shape, m. diminfo)
FROM cola-markets c-b, cola-markets c-d, user-sdo-geom-metadata m
WHERE m. table-name='COLA-MARKETS' AND m. column-name='SHAPE'
AND c-b. name='cola-b' AND c-d. name='cola-d';
⑤ 查询某个几何实体是否有效:
SELECT c. name, SDO-GEOM. VALIDATE-GEOMETRY (c. shape, m. diminfo)
FROM cola-markets c, user-sdo-geom-metadata m
WHERE m. table-name='COLA-MARKETS' AND m. column-name='shape'
AND c. name='cola-c';
综上可以看出, 以面向对象的形式表示空间数据比之于关系数据库中存放大量无意义的坐标有很大的优势, 同时, 它对复合对象的表达, 对于空间关系的处理也非常有效.
3. 面向对象数据库应解决的一些问题
(1) 从面向对象数据库的发展来看, 主要有2个方向: 一种是以面向对象技术为基础, 而引入数据库技术, 即所谓“纯”面向对象数据库; 另一种是以现有关系数据库为基础, 加入面向对象的特征, 即所谓对象-关系数据库. (2) 关系模型与面向对象模型毕竟是2个不同的数据模型, 鉴于目前大部分商用数据库都是关系数据库这一现实, 不管是“纯”面向对象数据库, 还是对象-关系数据库, 暂时都回避不了这2种模型的转换或兼容问题. (3) 面向对象的数据模型目前还不像关系数据模型一样有完美的数学基础, 其数据库语言还缺乏形式化基础[5]. (4) 如何将成熟的关系数据库技术, 如事务控制、完整性检查、数据复制等应用到面向对象数据库中, 也是一个值得研究的方向.
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